海上風電單樁基礎抗冰錐結構設計

陳 立

(上海勘測設計研究院有限公司，上海200434)

0 前 言

渤海及黃海北部海域風能儲備密度大，秦皇島、曹妃甸、蓬萊等一系列環渤海地區，均已成為我國“十三五”海上風電產業戰略部署的重要組成部分。然而，在渤海及黃海北部海域冬季，伴隨巨大風能儲備的是大面積的海冰作用威脅和低溫凍結威脅。目前，我國已建立的海上風電場多針對無冰海域，對于有冰海域的海上風電場建設尚缺乏經驗。大量的工程顯示，海冰會對海洋結構工程產生巨大的危害。1969年渤海發生特大冰封，巨大的海冰直接將矗立在海上的“海二井”石油平臺推倒，造成了建國以來最大的由于海冰導致的石油平臺事故。多年來的監測數據顯示，渤海及北黃海冰區海洋結構(特別是海洋石油平臺結構)一直受到海冰的影響，2000年錦州20-2MSW平臺在海冰的強烈作用下，平臺上的放空管因劇烈晃動而斷裂，導致了天然氣泄漏事故[1-2]。放眼全球，阿拉斯加庫克灣的采油平臺[3- 4]、北歐的Bothnia灣燈塔[5]等冰區海洋結構都不同程度地遭到過海冰的破壞。因此可以說，海冰是關乎海洋結構安全的全球性問題。

海上風電單樁基礎作為一種高聳的柔性結構，較之傳統的海洋工程結構，在海冰的作用之下，會產生更加敏感和復雜的動態響應行為。本文基于渤海及北黃海海域海上石油平臺的抗冰錐設計理念，給出了單樁基礎的抗冰錐設計方法，并針對北黃海某一海上風電工程，詳細研究了該工程海域的海冰冰情，采用本文的方法對抗冰錐體結構進行了設計，并利用ANSYS有限元軟件建立能夠反映所設計抗冰錐體實際體形的三維有限元分析模型并進行強度校核。

1 錐體結構抗冰設計

1.1 錐體結構抗冰原理

通常情況下，冰排在結構物前可能產生擠壓、壓屈、剪切、彎曲等破壞形式，由于海冰的彎曲強度遠遠小于其抗壓強度，因此，采用合適的結構形式將使得海冰變為彎曲破壞，可以大大減小海冰的作用力。對于直立樁而言，在樁身潮位附近加裝錐體結構，冰與錐體在相互作用時能夠將海冰的破壞模式由擠壓破壞改變為彎曲破壞，可以使得海冰作用在結構上的荷載大大降低。這種觀點已經得到了理論和室內試驗的驗證[6-7]，許多原型抗冰結構在冰作用面也被設計成錐面形式[8-9]。

此外，柔性結構在海冰動力作用下，通常會產生一定幅值的振動，被稱為冰激振動。在特定冰況下，受結構運動的影響，海冰擠壓破壞穩定在韌脆轉變區間，形成與結構固有頻率“鎖定”的“鋸齒形”冰力，現場觀測和模型試驗均發現，冰力作用下結構的振動存在“頻率鎖定”現象。已有的研究成果表明，我國渤海及黃海北部的海冰特征所導致的冰激振動問題比極區國家更加突出，強烈的穩態加速度振動會影響設備運行和導致人員感受不適[10]，而大量的試驗與現場監測也表明，當結構上增加錐體結構后，冰激振動的危害會大大降低[11]。

1.2 海上風場單樁抗冰設計

現階段，我國有關海上導管架平臺結構設計的規范主要有《海上固定平臺入級與建造規范》、《淺海鋼質固定平臺結構設計與建造技術規范》、《渤海海域鋼質固定式平臺結構設計規定》、《中國海海冰條件及應用規定》等，還沒有針對海上風電基礎的抗冰設計規范或者指導文件。目前對于北方海上風場結構基礎的抗冰設計也是主要參考海洋石油平臺的設計理念，選擇可靠的抗冰工程措施。

因此，借鑒海上石油平臺的抗冰設計經驗，在單樁上加裝錐體結構進行抗冰，選擇的單樁基礎抗冰錐由正、倒錐組合體一般由兩個圓錐體對接構成，如圖1所示。針對這樣的海上風機單樁基礎抗冰錐，列出幾個主要的設計參數如下[12]：①冰錐標高。海冰與錐體作用位置隨潮位而變化，冰錐的上下標高要使得錐體的高度能夠完全覆蓋冰磨蝕區。②冰錐角度。冰錐角度決定了抗冰的作用效果，大量試驗表明，冰錐錐角在50°～65°時效果較好。③冰錐高度。考慮冰在錐面上的運動，在冰錐設計時，除了冰磨蝕范圍，還要結合冰的爬升/堆積高度和施工、測量等方面的誤差綜合考量。冰錐的角度與高度確定后，冰錐的直徑也隨之確定。

圖1 抗冰錐結構示意

冰錐的各個構件的厚度需要通過計算校驗其強度，并滿足相應的構造要求。除此之外，設計需要考慮抗冰錐制作時，錐殼內部設徑向肋板，肋板端部與風機鋼管樁及水密隔板焊接。錐體直徑應充分考慮電纜管、靠船件、灌漿管線(如有)、犧牲陽極等其他附屬設施的布置要求，當有附屬設施穿過時，錐體處開有圓孔或凹槽，內部設置加強環。綜上，單樁結構的主要設計流程如圖2所示。

圖2 海上風電單樁抗冰錐設計流程

2 某海上風場抗冰錐結構設計

2.1 工程簡介

某海上風電場項目位于遼寧省莊河市石城島東側、黑島電廠南側近海海域，場址中心距離岸線約22 km。風場主要采用單樁基礎形式，該工程場址區域基礎水深平均海平面下約16～26 m。該風場3 MW單樁基礎方案擬采用一根直徑為D5 500～5 800 mm鋼管樁打入海底基床深處，樁頂高程12.00 m。鋼管樁樁身外掛靠船設施、鋼爬梯及休息平臺、電纜J形管等。

工程海域潮汐屬規則半日潮。此海域各月平均潮差、最大潮差及最小潮差無明顯的季節變化規律，冬季的最大潮差約有7 m。

2.2 海域冰情

風電場附近海域冰情狀況見表1。

結合海冰規范Q/HSn 3000—2002《中國海海冰條件及應用規范》，風場位于規范中18冰區內，50年一遇冰厚33.2 cm。冰的物理力學性質參考《中國海海冰條件及應用規范》執行。

表1 工程附近海域冰情狀況

2.3 單樁抗冰錐主體結構設計

擬選擇的抗冰錐的結構為：在樁腿上的冰磨蝕區安裝正、倒錐組合體抗冰結構。根據潮差計算冰磨蝕區的范圍，抗冰錐圓管環的位置設置于0.25 m高程處；根據所算的冰蝕區范圍，考慮冰排一定的爬高，整個抗冰錐高約7.5 m。上下錐對稱布置，錐角約為60°。為了便于單樁基礎安裝施工，抗冰錐設計為一個后灌漿套筒形式，在主體鋼管樁沉樁結束后，將冰錐套筒通過高強灌漿料后灌漿，使之與鋼管樁結構成為一個整體。抗冰錐結構設計如圖3所示。

圖3 單樁抗冰錐結構設計

抗冰錐體結構采用Q345E級鋼建造，抗冰錐體結合部設有水密隔板和圓管環，將抗冰錐體分隔為上、下兩個獨立的水密室。錐殼內部設徑向肋板，肋板端部與導管架主腿及水密隔板焊接。錐殼板、水密隔板和肋板之間的連接均以圓管環為過渡構件。J形管等附屬設施在錐體上的布置間隔勻稱，避免出現冰堵塞，且便于抗冰錐體的建造。在主體及其他構件形式基本確定后，需要對結構進行有限元分析，確定各構件尺寸。

2.4 抗冰錐體強度校核

2.4.1 有限元計算模型

根據設計出的抗冰錐結構，利用ANSYS有限元軟件建立了反映實際尺寸的三維有限元分析模型，抗冰錐單樁基礎有限元模型共有102 424個節點，114 399個單元。冰錐的結構包括外部套筒、上下錐面、肋板、水密隔板、隔板、圓管環等部分組成，抗冰錐錐面鋼結構冰蝕裕量取5 mm。

計算考慮3MW風機基礎風機荷載，作用在塔架底端。參考DNV-OS-J101∶2014《Design of offshore wind turbine structures》、《海上風電場工程風電機組基礎設計規范》(征求意見稿)以及JTS 144-1—2010《港口工程荷載規范》的相關規定的荷載分項系數及抗力系數求得冰荷載，并對設計高至設計低水位之間的各個水位工況進行抗冰錐結構的強度校核。

2.4.2 結果及分析

為了保證抗冰錐體結構滿足要求，需要進行大量的試算工作，這里給出大量調試后最終的計算結果。表2給出了各個構件的最大Von-Mises應力值及發生的部位。從表2可以看出，結構的錐面板產生的應力較大，其他構件Von-Mises應力值均小于130 MPa。圖4給出了從設計高水位到設計低水位作用下，抗冰錐體結構的最大應力值。從圖4可以看出，最大應力發生在設計高水位位置，最大值為318 MPa，由于肋隔板的設置，有效地減小了抗冰錐表面的應力。

表2 冰荷載作用下抗冰錐結構Von-Mises應力最大值

圖4 抗冰錐最大應力與海冰作用高程關系

在冰力作用下，抗冰錐主要體現冰荷載導致的局部應力較大，風機荷載對抗冰錐結構的應力影響較小，抗冰錐結構應力最大的部位位于兩肘板的中間。綜上，本文提出的抗冰錐結構強度能夠滿足要求。

2.5 抗冰錐最終結構

根據前述有限元計算結果，工程擬設計的抗冰錐結構尺寸為：正、倒錐殼板采用25 mm鋼板，上下堆成布置；肋板采用20 mm鋼板，沿抗冰錐面板共設18道(20°/道)；圓環管采用φ159 mm×16 mm的圓管，圓管環與抗冰錐套筒之間設置一道25 mm厚水密隔板；上下錐面內側各設置3道16 mm厚肋隔板。考慮到結構的靠船、施工安裝等附屬構件，擬采用的抗冰錐結構最終設計效果如圖5所示。

圖5 單樁抗冰錐結構設計效果

3 結 論

本文借鑒海洋石油平臺的抗冰錐設計方法，給出了海上風電單樁基礎的設計方法，并對我國北方的某海上風電單樁基礎抗冰錐結構進行設計，設計的抗冰錐結構能夠抵御工程海域各個潮位的海冰，并且強度能夠滿足要求。目前，對于有冰區域海上

風機的抗冰研究還較少，為了更好地進行單樁結構的抗冰設計，需要繼續開展海域冰情的調查與搜集、相關規范或標準的編寫、冰荷載的計算、抗冰錐的優化、其他抗冰工程措施等研究工作。